JP2022071895A

JP2022071895A - エンジン装置

Info

Publication number: JP2022071895A
Application number: JP2020181012A
Authority: JP
Inventors: 晶人内田; Akito Uchida
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-10-29
Filing date: 2020-10-29
Publication date: 2022-05-17

Abstract

【課題】過給圧をより適正に制限する。
【解決手段】エンジン装置は、過給機を有するエンジンと、エンジンの排気系において過給機をバイパスするバイパス管に取り付けられたウエストゲートバルブと、過給機のタービンの回転数制約と過給機のデポ抑制制約とを共に満たす過給圧となるようにウエストゲートバルブを制御する制御装置と、を備える。デポ抑制制約としては、過給機に供給される空気の温度と過給機に流れる空気の流量とに基づいて設定される。
【選択図】図３

Description

本発明は、エンジン装置に関し、詳しくは、過給機を有するエンジン装置に関する。

従来、この種のエンジン装置としては、エンジンの排気系で過給機をバイパスするバイパス管を有し、バイパス管にウエストゲートバルブを備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このエンジン装置では、吸気通路のコンプレッサ下流の吸気圧力をウエストゲートバルブ動作用の駆動源に用いた構造を採用することにより、エンジン高負荷時にウエストゲートバルブを閉方向へ駆動させ、エンジンの実用域となるエンジンの低負荷時にウエストゲートバルブを開かせるものとした。

特開２０１３－０９２１３１号公報

こうしたエンジン装置では、過給圧の上限については、過給機のタービンの上限回転数による制約や過給機のコンプレッサに生じるデポを抑制する制約により制限するのが好ましく、両制約を共に満たすようにウエストゲートバルブを駆動制御することが考えられる。過給機のコンプレッサに生じるデポを抑制する制約は、過給機に供給される空気の温度に基づいて行なうことも考えられるが、この場合、過剰に制限する場合が生じる。

本発明のエンジン装置は、過給圧をより適正に制限することを主目的とする。

本発明のエンジン装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明のエンジン装置は、
過給機を有するエンジンと、前記エンジンの排気系において前記過給機をバイパスするバイパス管に取り付けられたウエストゲートバルブと、前記過給機のタービンの回転数制約と前記過給機のデポ抑制制約とを共に満たす過給圧となるようにウエストゲートバルブを制御する制御装置と、を備えるエンジン装置であって、
前記デポ抑制制約は、前記過給機に供給される空気の温度と前記過給機に流れる空気の流量とに基づいて設定される、
ことを特徴とする。

本発明のエンジン装置では、エンジンの排気系において過給機をバイパスするバイパス管に取り付けられたウエストゲートバルブを備え、過給機のタービンの回転数制約と過給機のエンジンの排気系において前記過給機をバイパスするバイパス管に取り付けられたウエストゲートバルブとを共に満たす過給圧となるようにウエストゲートバルブを制御する。この際、デポ抑制制約として、過給機に供給される空気の温度と過給機に流れる空気の流量とに基づいて設定されたものを用いる。即ち、過給機のタービンの回転数制約と、過給機に供給される空気の温度と過給機に流れる空気の流量とに基づいて設定されたデポ抑制制約と、を共に満たす過給圧となるようにウエストゲートバルブを制御するのである。これより、過給圧をより適正に制限することができる。なお、過給機のタービンの回転数制約については、過給機に供給される空気の温度と過給機に流れる空気の流量とに基づいて設定されるものとしてもよい。

本発明の一実施例としてのエンジン装置１０の構成の概略を示す構成図である。エンジン装置１０に組み込まれた電子制御ユニット７０の入出力信号の一例を示す説明図である。電子制御ユニット７０により実行される過給制御処理の一例を示すフローチャートである。２５℃のときの過給圧Ｐｃに対するタービン回転数制約Ｐｎｍａｘの一例とデポ抑制制約Ｐｄの一例を示す説明図である。２５℃のときの制限圧設定用マップの一例を示す説明図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例としてのエンジン装置１０の構成の概略を示す構成図である。図２は、エンジン装置１０に組み込まれた電子制御ユニット７０の入出力信号の一例を示す説明図である。実施例のエンジン装置１０は、一般的な自動車や各種のハイブリッド自動車に搭載され、図１，図２に示すように、エンジン１２と、過給機４０と、インタークーラ２５と、冷却装置６０と、電子制御ユニット７０とを備える。

エンジン１２は、燃料タンク１１から図示しないフィードポンプや燃料通路を介して供給されるガソリンや軽油などの燃料を用いて動力を出力する内燃機関として構成されている。このエンジン１２は、エアクリーナ２２により清浄された空気を吸気管２３に吸入してインタークーラ２５、スロットルバルブ２６、サージタンク２７の順に通過させると共に吸気管２３のサージタンク２７よりも下流側で燃料噴射弁２８から燃料を噴射し、空気と燃料とを混合する。エンジン１２は、この混合気を吸気バルブ２９を介して燃焼室３０に吸入し、点火プラグ３１による電気火花によって爆発燃焼させる。エンジン１２は、こうした爆発燃焼によるエネルギにより押し下げられるピストン３２の往復運動をクランクシャフト１４の回転運動に変換する。燃焼室３０から排気バルブ３４を介して排気管３５に排出される排気は、一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）の有害成分を浄化する触媒（三元触媒）を有する浄化装置３７，３８を介して外気に排出される。

過給機４０は、ターボチャージャとして構成されており、コンプレッサ４１と、タービン４２と、回転軸４３と、ウエストゲートバルブ４４と、エアバイパスバルブ４５とを備える。コンプレッサ４１は、吸気管２３のインタークーラ２５よりも上流側に配置されている。タービン４２は、排気管３５の浄化装置３７よりも上流側に配置されている。回転軸４３は、コンプレッサ４１とタービン４２とを連結する。ウエストゲートバルブ４４は、排気管３５におけるタービン４２よりも上流側と下流側とを連絡するバイパス管３６に設けられており、電子制御ユニット７０により制御される。エアバイパスバルブ４５は、吸気管２３におけるコンプレッサ４１よりも上流側と下流側とを連絡するバイパス管２４に設けられており、電子制御ユニット７０により制御される。

この過給機４０では、ウエストゲートバルブ４４の開度の調節により、バイパス管３６を流通する排気量とタービン４２を流通する排気量との分配比が調節され、タービン４２の回転駆動力が調節され、コンプレッサ４１による圧縮空気量が調節され、エンジン１２の過給圧（吸気圧）が調節される。ここで、分配比は、詳細には、ウエストゲートバルブ４４の開度が小さいほど、バイパス管３６を流通する排気量が少なくなると共にタービン４２を流通する排気量が多くなるように調節される。なお、エンジン１２は、ウエストゲートバルブ４４が全開のときには、過給機４０を備えない自然吸気タイプのエンジンと同様に動作可能になっている。また、ウエストゲートバルブ４４は、電子制御ユニット７０により制御されるバルブに代えて、排気管３５の圧力がタービン４２の下流の圧力よりもある程度高くなると開弁する逆止弁として構成されるものとしてもよい。

また、過給機４０では、吸気管２３におけるコンプレッサ４１よりも下流側の圧力が上流側の圧力よりもある程度高いときに、エアバイパスバルブ４５を開弁させることにより、コンプレッサ４１よりも下流側の余剰圧力を解放することができる。なお、エアバイパスバルブ４５は、電子制御ユニット７０により制御されるバルブに代えて、吸気管２３におけるコンプレッサ４１よりも下流側の圧力が上流側の圧力よりもある程度高くなると開弁する逆止弁として構成されるものとしてもよい。

インタークーラ２５は、吸気管２３のコンプレッサ４１よりも下流側に配置されている。インタークーラ２５には、冷却装置６０からの冷却媒体（例えば、ロングライフクーラント（ＬＬＣ）など）が循環している。インタークーラ２５は、吸気管２３内の空気（吸気）と冷却装置６０からの冷却媒体（実施例では冷却水）を熱交換させて、吸気管２３内の空気（吸気）を冷却している。

電子制御ユニット７０は、ＣＰＵを中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵに加えて、処理プログラムを記憶するＲＯＭや、データを一時的に記憶するＲＡＭ、入出力ポート、通信ポートを備える。電子制御ユニット７０には、各種センサからの信号が入力ポートを介して入力されている。

電子制御ユニット７０に入力される信号としては、例えば、エンジン１２のクランクシャフト１４の回転位置を検出するクランクポジションセンサ１４ａからのクランク角θｃｒや、エンジン１２の冷却媒体の温度を検出する図示しない水温センサからの冷却媒体の温度Ｔｗ、スロットルバルブ２６の開度を検出するスロットルポジションセンサ２６ａからのスロットル開度ＴＨを挙げることができる。吸気バルブ２９を開閉するインテークカムシャフトや排気バルブ３４を開閉するエキゾーストカムシャフトの回転位置を検出する図示しないカムポジションセンサからのカムポジションθｃａも挙げることができる。吸気管２３のコンプレッサ４１よりも上流側に取り付けられたエアフローメータ２３ａからの吸入空気量Ｑａや、吸気管２３のコンプレッサ４１よりも上流側に取り付けられた圧力センサ２３ｂからの吸気圧Ｐｉｎ、吸気管２３のコンプレッサ４１とインタークーラ２５との間に取り付けられた圧力センサ２３ｃからの過給圧Ｐｃ、吸気管２３のコンプレッサ４１よりも上流側に取り付けられた温度センサ２３ｄからの吸気温Ｔｉｎも挙げることができる。サージタンク２７に取り付けられた圧力センサ２７ａからのサージ圧Ｐｓや、サージタンク２７に取り付けられた温度センサ２７ｂからのサージ温度Ｔｓも挙げることができる。排気管３５の浄化装置３７よりも上流側に取り付けられたフロント空燃比センサ３５ａからのフロント空燃比ＡＦ１や、排気管３５の浄化装置３７と浄化装置３８との間に取り付けられたリヤ空燃比センサ３５ｂからのリヤ空燃比ＡＦ２も挙げることができる。また、イグニッションスイッチ８０からのイグニッション信号ＩＧや、シフトレバー８１の操作位置を検出するシフトポジションセンサ８２からのシフトポジションＳＰ、アクセルペダル８３の踏み込み量を検出するアクセルペダルポジションセンサ８４からのアクセル開度Ａｃｃ、ブレーキペダル８５の踏み込み量を検出するブレーキペダルポジションセンサ８６からのブレーキペダルポジションＢＰなども挙げることができる。

電子制御ユニット７０からは、各種制御信号が出力ポートを介して出力されている。電子制御ユニット７０から出力される信号としては、例えば、スロットルバルブ２６への制御信号や、燃料噴射弁２８への制御信号、点火プラグ３１への制御信号を挙げることができる。ウエストゲートバルブ４４への制御信号、エアバイパスバルブ４５への制御信号も挙げることができる。

電子制御ユニット７０は、クランクポジションセンサ１４ａからのクランク角θｃｒに基づいてエンジン１２の回転数Ｎｅを演算している。また、電子制御ユニット７０は、エアフローメータ２３ａからの吸入空気量Ｑａとエンジン１２の回転数Ｎｅとに基づいて負荷率（エンジン１２の１サイクルあたりの行程容積に対する１サイクルで実際に吸入される空気の容積の割合）ＫＬを演算している。さらに、電子制御ユニット７０は、圧力センサ２３ｂからの吸気圧Ｐｉｎと圧力センサ２３ｃからの過給圧Ｐｃと温度センサ２３ｄからの吸気温Ｔｉｎとに基づいてインタークーラ２５の上流側での吸気温Ｔｉｎｃ（インタークーラ２５に流入する吸気の温度）を演算している。

こうして構成された実施例のエンジン装置１０では、電子制御ユニット７０は、エンジン１２の要求負荷率ＫＬ＊に基づいて、スロットルバルブ２６の開度を制御する吸入空気量制御や、燃料噴射弁２８からの燃料噴射量を制御する燃料噴射制御、点火プラグ３１の点火時期を制御する点火制御、ウエストゲートバルブ４４の開度を制御する過給制御などを行なう。吸入空気量制御としては、例えば、要求負荷率ＫＬ＊に基づいて目標吸入空気量Ｑａ＊を設定し、吸入空気量Ｑａが目標吸入空気量Ｑａ＊となるようにスロットルバルブ２６の目標開度ＴＨ＊を設定し、スロットル開度ＴＨが目標開度ＴＨ＊となるようにスロットルバルブ２６を制御する。燃料噴射制御としては、例えば、吸入空気量Ｑａに基づいてフロント空燃比ＡＦ１が目標空燃比ＡＦ＊（例えば、理論空燃比）となるように燃料噴射弁２８の目標燃料噴射量Ｑｆ＊を設定し、設定した目標燃料噴射量Ｑｆ＊を用いて燃料噴射弁２８を制御することにより行なわれる。点火制御としては、例えば、エンジン１２の回転数Ｎｅおよび要求負荷率ＫＬ＊に基づいて点火プラグ３１の目標点火時期Ｔｆ＊を設定し、設定した目標点火時期Ｔｆ＊を用いて点火プラグ３１を制御することにより行なわれる。

次に、実施例のエンジン装置１０の動作、特にウエストゲートバルブ４４の開度を制御する過給制御の際の動作について説明する。図３は、電子制御ユニット７０により実行される過給制御の一例を示すフローチャートである。この処理は所定時間毎に繰り返し実行される。

過給制御が実行されると、電子制御ユニット７０は、まず、圧力センサ２３ｃからの過給圧Ｐｃや、温度センサ２３ｄからの吸気温Ｔｉｎ、エアフローメータ２３ａからの吸入空気量Ｑａなどのデータを入力する処理を実行する（ステップＳ１００）。

続いて、吸気温Ｔｉｎと吸入空気量Ｑａとに基づいて、過給圧Ｐｃに対する過給機４０のタービン４２の回転数制約（以下、タービン回転数制約と称する。）Ｐｎｍａｘを設定する（ステップＳ１１０）と共に、過給圧Ｐｃに対するコンプレッサ４１におけるデポを抑制するデポ抑制制約Ｐｄとを設定する（ステップＳ１２０）。タービン回転数制約Ｐｎｍａｘについては、実施例では、吸気温Ｔｉｎと吸入空気量Ｑａとタービン回転数制約Ｐｎｍａｘとの関係を予め実験などによって求めてタービン回転数制約設定用マップとして記憶しておき、吸気温Ｔｉｎと吸入空気量Ｑａとが与えられるとマップから対応するタービン回転数制約Ｐｎｍａｘを導出することにより設定するものとした。また、デポ抑制制約Ｐｄについては、実施例では、吸気温Ｔｉｎと吸入空気量Ｑａとデポ抑制制約Ｐｄとの関係を予め実験などによって求めてデポ抑制制約設定用マップとして記憶しておき、吸気温Ｔｉｎと吸入空気量Ｑａとが与えられるとマップから対応するデポ抑制制約Ｐｄを導出することにより設定するものとした。図４に２５℃のときのタービン回転数制約設定用マップの一例とデポ抑制制約設定用マップの一例とを示す。図中、上段の黒丸を連ねた曲線がタービン回転数制約設定用マップであり、下段の黒四角を連ねた曲線がデポ抑制制約設定用マップである。タービン回転数制約設定用マップおよびデポ抑制制約設定用マップは、過給機４０に供給される空気の温度（実施例では吸気温Ｔｉｎで代用）と、過給機４０に流れる空気の流量（実施例では吸入空気量Ｑａで代用）と、により変化することが実験などにより解っている。

次に、タービン回転数制約Ｐｎｍａｘとデポ抑制制約Ｐｄとのうち小さい方を制限圧Ｐｌｉｍとして設定する（ステップＳ１３０）。そして、過給圧Ｐｃが制限圧Ｐｌｉｍより大きいか否かを判定し（ステップＳ１４０）、過給圧Ｐｃが制限圧Ｐｌｉｍより大きいと判定したときには、過給圧Ｐｃが制限圧Ｐｌｉｍ以下となるようにウエストゲートバルブ４４の開度を調整する（ステップＳ１５０）。即ち、タービン回転数制約Ｐｎｍａｘとデポ抑制制約Ｐｄとを共に満たすように制限圧Ｐｌｉｍを設定し、過給圧Ｐｃが制限圧Ｐｌｉｍ以下になるように調整するのである。なお、ウエストゲートバルブ４４の開度の調整は、具体的には、過給圧Ｐｃと制限圧Ｐｌｉｍとの差分ΔＰにゲインｋを乗じた開度だけウエストゲートバルブ４４を開成するなどにより行なうことができる。一方、過給圧Ｐｃが制限圧Ｐｌｉｍ以下であると判定したときには本処理を終了する。

以上説明した実施例のエンジン装置１０では、吸気温Ｔｉｎと吸入空気量Ｑａとに基づいてタービン回転数制約Ｐｎｍａｘとデポ抑制制約Ｐｄとを設定すると共にタービン回転数制約Ｐｎｍａｘとデポ抑制制約Ｐｄとを共に満たすように制限圧Ｐｌｉｍを設定し、過給圧Ｐｃが制限圧Ｐｌｉｍ以下になるようにウエストゲートバルブ４４の開度を調整する。これにより、吸気温Ｔｉｎだけに基づいてデポ抑制制約Ｐｄを設定するものに比して、過給圧Ｐｃをより適正に制限することができる。

実施例のエンジン装置１０では、吸気温Ｔｉｎと吸入空気量Ｑａとに基づいてタービン回転数制約Ｐｎｍａｘを設定するものとしたが、吸気温Ｔｉｎのみによりタービン回転数制約Ｐｎｍａｘを設定したり、吸入空気量Ｑａのみによりタービン回転数制約Ｐｎｍａｘを設定したり、吸気温Ｔｉｎや吸入空気量Ｑａ以外のパラメーターによりタービン回転数制約Ｐｎｍａｘを設定するものとしてもよい。

実施例のエンジン装置１０では、吸気温Ｔｉｎと吸入空気量Ｑａとに基づいてタービン回転数制約Ｐｎｍａｘとデポ抑制制約Ｐｄとを設定すると共にタービン回転数制約Ｐｎｍａｘとデポ抑制制約Ｐｄとを共に満たすように制限圧Ｐｌｉｍを設定するものとした。しかし、予めタービン回転数制約Ｐｎｍａｘとデポ抑制制約Ｐｄとに基づいて吸気温Ｔｉｎと吸入空気量Ｑａと制限圧Ｐｃとの関係を求めて制限圧設定用マップを設定しておき、吸気温Ｔｉｎと吸入空気量Ｑａと制限圧Ｐｃとが与えられるとマップから対応する制限圧Ｐｃを導出することにより制限圧Ｐｃを設定するものとしてもよい。２５℃のときの制限圧設定用マップの一例を図５に示す。図５を図４に照らせば、制限圧Ｐｃは、空気流量が値０から１１０［ｇ／ｓ／Ｌ］程度までデポ抑制制約Ｐｄと一致し、空気流量が１１０［ｇ／ｓ／Ｌ］以上の範囲ではタービン回転数制約Ｐｎｍａｘに一致する。

実施例では、一般的な自動車や各種のハイブリッド自動車に搭載されるエンジン装置１０の形態とした。しかしながら、自動車以外の車両に搭載されるエンジン装置の形態としてもよいし、建設設備などの移動しない設備に搭載されるエンジン装置の形態としてもよい。

実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、過給機４０が「過給機」に相当し、エンジン１２が「エンジン」に相当し、ウエストゲートバルブ４４が「ウエストゲートバルブ」に相当し、電子制御ユニット７０が「制御装置」に相当する。

なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、エンジン装置の製造産業などに利用可能である。

１０内燃機関装置、１２エンジン、１４クランクシャフト、１４ａクランクポジションセンサ、２２エアクリーナ、２３吸気管、２３ａエアフローメータ、２３ｂ，２３ｃ，２７ａ圧力センサ、２４，３６バイパス管、２５インタークーラ、２６スロットルバルブ、２６ａスロットルポジションセンサ、２７サージタンク、２３ｄ、２７ｂ温度センサ、２８燃料噴射弁、２９吸気バルブ、３０燃焼室、３１点火プラグ、３２ピストン、３４排気バルブ、３５排気管、３５ａフロント空燃比センサ、３５ｂリヤ空燃比センサ、３７，３８浄化装置、４０過給機、４１コンプレッサ、４２タービン、４３回転軸、４４ウエストゲートバルブ、４５エアバイパスバルブ、７０電子制御ユニット、８０イグニッションスイッチ、８１シフトレバー、８２シフトポジションセンサ、８３アクセルペダル、８４アクセルペダルポジションセンサ、８５ブレーキペダル、８６ブレーキペダルポジションセンサ。

Claims

過給機を有するエンジンと、前記エンジンの排気系において前記過給機をバイパスするバイパス管に取り付けられたウエストゲートバルブと、前記過給機のタービンの回転数制約と前記過給機のデポ抑制制約とを共に満たす過給圧となるようにウエストゲートバルブを制御する制御装置と、を備えるエンジン装置であって、
前記デポ抑制制約は、前記過給機に供給される空気の温度と前記過給機に流れる空気の流量とに基づいて設定される、
ことを特徴とするエンジン装置。